Videoformate - Ein kompliziertes Thema einfach erklärt.

30.03.2020

Von h.264 bis ProRes und weshalb MP4 etwas anderes ist. Diverse Abkürzungen und Begriffe mit Doppelbedeutung machen die Welt der Videoformate undurchsichtig. Das jedoch nur bei erster Betrachtung. Diese Basics sollte jeder kennen.

Film ist zu einem mehrheitlich digitalen Medium angewachsen. Im 2017 war Film für ein Drittel des Weltweiten Datenverkehrs verantwortlich. Sobald man auf Netflix, Vimeo und weiteren Anbietern auf “Play” drückt, unternimmt ein Film eine gewaltige Reise, bis er auf dem Bildschirm des Konsumenten erscheint. Diese Reise nennt sich Data Stream - kurz Stream. Damit dieser Stream ruckelfrei abläuft, existieren Regeln, die heutzutage mehr oder weniger standardisiert wurden. Diese Regeln treten als Codecs und Containers (Formate) in Erscheinung und sind der Grund, weshalb Musik MP3 genannt wird und viele Filme mit einem “.mp4” in der Dateibezeichnung enden. Ebenfalls spielen diese Formate beim Streamen eine besondere Rolle. Doch weshalb benötigen wir dies?

Das Transportieren von Daten mit Format

Digitale Daten müssen transportiert werden. Dies vom Server zum Benutzer (Client) oder von einem Benutzer zum anderen Benutzer (auch Peer2Peer genannt). Ersteres ist hierbei klar die häufigere Variante ist. Um Daten zu transportieren, benötigen wir einen bestimmten Container, der die Ordnung sicherstellt und auch “Format” genannt wird. In einem solchen Videoformat wird primär das Bildmaterial zusammen mit dem Audiomaterial sortiert. Ebenfalls können Untertitel enthalten sein oder Meta-Daten (Informationsdaten über die Daten selbst).

Der Codec und die Kompression

Beleuchten wir nun das Bildmaterial in einem solchen Container, das klar die grösste Datenmenge einnimmt. Weniger als der Ton also und klar weniger als Untertitel oder Metadaten. Damit ein Film nicht unseren gesamten Speicher füllt oder unsere Internet-Bandbreite beschlagnahmt, wird ein einfaches Verfahren von Codierung und Decodierung verwendet, das sich kurz “Codec” nennt. Dieses Verfahren nennt sich Komprimierung. Der Codec ist die Anleitung oder der Schlüssel, wie man das Bildmaterial komprimiert oder dann auch wieder entschlüsselt und abspielt. Hierbei wird unterschieden zwischen verlustbehafteten (EN: lossy) Verfahren und verlustfreien (EN: lossless) Verfahren.

Ein verlustfreier Codec speichert Daten in einem kleineren Format dank mathematischen Kürzungen. Beim Abspielen ist die Kompression deshalb nicht sichtbar. Jedoch benötigt das Abspielen mehr Rechenleistung, um die algorithmische Verschachtelung wieder aufzulösen. Leider bleiben die Datenmengen trotz Kompression gross und bieten deshalb keinen eminenten Vorteil gegenüber von unkomprimierten Dateien. Beispiele für solche Codecs sind AV1 oder Apple Animation. Diese kommen selten vor.

Viel häufiger sind die verlustbehafteten Codecs. Diese arbeiten vor allem mit dem Reduzieren von redundanten Bildinformationen. Dies führt zwar zu einer Kompression, die wahrgenommen werden kann, aber auch zu Dateien, die bis zu 70x kleiner sind als das Original. Hier kommt es zu einer Abwägung zwischen unerwünschten Kompressions-Artefakten (unschöne Bildfehler) und der Grösse der Filmdatei.

Jeder Anwendungszweck, sei es für im Kino, auf Social Media oder am Fernseher, hat deshalb seinen optimalen Codec. Dies bedeutet, dass für jede Plattform die Videos wieder neu aufbereitet werden müssen, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.

Bekannte Videoformate

MP4 / WebM / OGG / AVI / QuickTime (.mov)

Bekannte Bildcodecs

H.264 / Theora / MPEG4 / VP8 / DNXHD / ProRes

Bekannte Audiocodecs

MP3 / AAC / WMA / EAC3 Dolby

Wie funktioniert eine Kompression

Unkomprimiert wird eine fünfminütige Filmdatei bereits ca. 50 GB gross. Komprimiert man diese, spart man bis zu 98% des Speicherplatzes. Wie wird eine derart grosse Einsparung erzielt?

Kompressionsverfahren lassen sich in zwei Gruppen unterteilen – Intraframe Methoden und Interframe Methoden. Bei den Intraframe Methoden wird jedes einzelne Bild (bei einem Film auch Frame genannt) in sich selber komprimieren und so die Dateigrösse des gesamten Films gemindert. Eine Technik hier nennt sich Farbunterabtastung.

Die Farbunterabtastung (auf Englisch: Chroma Subsampling) bedient sich einer einfachen biologischen Tatsache, dass unsere Augen besser Helligkeit als Farbe erkennen. Unser Auge besitzt nämlich mehr Stäbchenzellen für die Wahrnehmung der Helligkeitsunterschiede als Zapfenzellen, die für die Unterscheidung von Farben benötigt werden. Beispielsweise werden bei der Farbunterabtastung alle Pixel in Gruppen von vier aufgeteilt. Dabei werden die Farbinformationen gelöscht und nur eine Farbe gespeichert – die durchschnittliche Farbe der vier Pixel. Jeder Pixel behält jedoch seine Helligkeit. Und schon können wir uns einen beträchtlichen Teil der Bildinformation einsparen. Doch was ist hier der Nachteil? Natürlich entstehen dabei ganz kleine Bildfehler, die man aus der Ferne jedoch nicht erkennt. Der negative Bildartefakt einer Farbunterabtastung findet man beispielsweise bei klar definierten Linien in einem Bild.

Bild: Kompressionsartefakte bei der Kompression mit Farbunterabtastung.

Die andere Methode nennt sich Interframe Methode und löscht redundante Bildinformationen, die auf mehreren, abfolgenden Bilder erscheinen und somit nur einmal gespeichert werden müssen. Eine angewandte Technik nennt man “GOP - Group of Pictures” oder auf Deutsch Bildergruppe. Die einzelnen Bilder werden dabei in Gruppen von 0.5 bis 1 Sekunde (oder mehr) Laufzeit gesetzt. Dabei wird das erste Bild der Gruppe als Referenzbild festgelegt (I-Frame) und alle nachfolgenden Bilder beinhalten nur noch die Differenz-Informationen zum Referenzbild (B-Frame). Somit können alle Bilddaten weggelassen werden, die sich binnen dieser kurzen Zeit nicht bewegt haben. Das kann der Hintergrund sein oder statische Gegenstände. Der Nachteil dieser Methode ist, dass die Differenz-Bilder vom Referenz-Bild abhängig sind. Geht das Referenz-Bild wegen eines Netzwerkfehlers beim Streamen verloren, entsteht ein unerwünschtes, aber bekanntes Problem.

Bild: Zerbrochenes Bild, wenn die GOP Kompression fehlschlägt.

Anwendungsbeispiele

Die Höhe der Kompression, die ein Codec einsetzt, wird mittels der Bitrate gemessen. Diese misst die Bits pro Sekunde, die ein Film zur Wiedergabe benötigt. Je tiefer dieser Wert, je höher die Kompression und je sichtbarer werden die Artefakte.

Ein möglichst unkomprimierter Film wird im Optimalfall immer beim Aufnehmen ab Kamera erstellt. Dies benötigt danach in der Postproduktion am PC weniger Rechenleistung. Ebenfalls verfügt man über mehr Bildinformationen und kann zum Beispiel eine bessere Farbkorrektur (Grading) vornehmen. Bei unserem Filmteam Tincan Motion besitzt man für diese Zwecke ein externes Aufnahmegerät für die Kameras, das unkomprimiertes Bild von der Kamera aufnimmt, verarbeitet und direkt auf einer SSD speichert.

Sollte das beendete Filmprodukt danach auf YouTube oder Vimeo geladen werden, empfiehlt sich eine möglichst hohe Qualität weiterzugeben, da der Streaminganbieter das Video ohnehin selber noch komprimiert. Jedoch sollte die Bitrate nicht zu hoch sein, da der Upload ansonsten zu lange dauert.

Ein Fernsehen beispielsweise stellt nochmals erhöhte Anforderungen an Produktionsagenturen, da eine korrekte Darstellung über die Sender von verschiedenen Faktoren abhängt, die auch mit der Kompression zu tun haben. Darauf gehen wir hier aber nicht vertieft ein.

Tipps für den Upload auf Youtube

Sollte Video-Content für YouTube vorbereitet werden, empfehlen wir folgende Einstellungen.

  • Container: MP4
  • Audio-Codec: AAC-LC
  • Audiobitrate: 384 kbit/s
  • Video-Codec: H.264
  • Progressiver Scan
  • Profil: Hoch
  • 2 folgende B-Frames
  • GOP entsprechend der halben Framerate.
  • Variable Bitrate (Target für 1080p 25 FPS bei 8 Mbit/s)

Neben den zwei vorgestellten Verfahren für Kompression existieren noch unzählige weitere. Hinzu kommt, dass jedes Jahr neue Methoden entwickelt werden. Diese zu kennen ist essentiell, wenn man digitale Bilddaten korrekt handhaben möchte, um eine hohe Qualität sicherstellen zu können. Sollten Sie Fragen zum aktuellen Einsatz von Codecs haben oder möchten Sie Ihre Filme korrekt aufbereitet haben: Unsere Spezialisten im Bereich Film stehen Ihnen zur Seite.


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